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▲ 기계연 박창대 책임연구원이 산업용 열설비 설계플랫폼 ‘iTOP’의 운용 화면을 설명하고 있다

국내 연구진이 산업 현장별 조건에 맞춰 친환경·고효율 열공급 설비를 설계하고 최적 운영 방안을 제시하는 통합 솔루션을 개발했다. 화석연료 기반 보일러 의존도가 높은 산업용 열에너지 분야의 탄소중립 전환을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

한국기계연구원(원장 류석현) 탄소중립기계연구소 박창대 책임연구원 연구팀은 산업용 열공급 설비 최적 설계플랫폼 ‘iTOP(Industrial Thermal energy Optimization Platform)’과 태양열 히트펌프 기반 산업용 열공급 시스템 ‘SoHProtes(Solar Heat pump industrial Process Thermal Energy System)’를 개발하고 실제 산업 현장 실증을 완료했다고 22일 밝혔다.

연구팀은 경기도 김포 소재 식품가공 공장에 300kW급 SoHProtes 시스템을 설치하고 1년 이상 운전하며 현장 적용성을 검증했다. 실증 결과 기존 LPG 보일러 대비 열공급 운영비가 약 53% 절감됐으며, 탄소배출량도 약 44% 줄일 수 있는 것으로 확인됐다.

연구팀이 개발한 iTOP은 사업장의 위치, 부지 면적, 필요 온도, 열 사용량, 폐열 유무, 부하 패턴 등 현장 조건을 입력하면 21종 이상의 열공급 설비를 비교·분석해 최적 설비 조합을 제시하는 설계 플랫폼이다.

기존 가스보일러, 전기보일러, 전극보일러, 고온 히트펌프, 태양열 시스템, 열병합설비 등을 대상으로 동적 성능 시뮬레이션과 경제성 분석을 수행해 수요처에 적합한 설비 구성과 공정 설계를 지원한다.

특히 iTOP은 공급자 중심의 설비 제안 방식에서 벗어나 데이터 기반으로 설비 종류와 용량을 검토할 수 있도록 설계됐다. 수요처 조건 입력부터 최적 설비 선정, 경제성 분석 결과 도출까지 약 30분 이내에 가능해 산업 현장의 설비 투자 리스크를 줄일 수 있다.

함께 개발된 SoHProtes는 태양열 집열기를 고온 히트펌프의 열원으로 활용하는 산업용 열공급 시스템이다. 폐열이 부족하거나 없는 사업장에서도 60℃ 이상의 열에너지를 공급할 수 있으며, 태양열 부족 시간에는 축열조와 히트펌프를 연계 운전하는 하이브리드 제어 기술을 적용해 안정적인 열공급이 가능하다.

기존 산업 현장은 대부분 화석연료 기반 보일러에 의존하고 있으며, 사업장별 조건에 맞는 최적 열설비를 선정할 수 있는 객관적인 설계 도구가 부족했다. 또한 고온 히트펌프는 충분한 열원이 필요해 폐열 활용이 어려운 현장에서는 적용에 한계가 있었다.

이번 기술은 설계플랫폼(iTOP)과 실제 열공급 시스템(SoHProtes)을 연계해 설비 선정부터 고온 열에너지 공급까지 가능한 통합 솔루션이라는 점에서 차별성을 가진다.

연구팀은 1t/h급 가스보일러를 SoHProtes로 대체할 경우 연간 4,000톤 이상의 이산화탄소 감축 효과와 약 3년 수준의 투자회수기간을 확보할 수 있을 것으로 분석했다. 이에 따라 식품, 화학, 제지, 섬유 등 200℃ 이하 열공정을 활용하는 다양한 산업 분야의 탄소중립 전환 기술로 활용될 전망이다.

박창대 한국기계연구원 책임연구원은 “iTOP과 SoHProtes는 산업 현장 맞춤형 열공급 설계부터 고온 열에너지 공급까지 가능한 통합 솔루션으로, 산업 열에너지 분야 탄소중립 전환에 기여할 것”이라며 “2026년 연구원 창업을 추진하고 AI 기술을 접목해 플랫폼 고도화도 이어갈 계획”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 기후에너지환경부 지원 과제인 ‘산업공정용 열공급을 위한 태양열 융합 열공급시스템 개발 및 스마트 O&M 시스템 개발’을 통해 수행됐다. 연구성과는 국제학술지 Energy Conversion and Management와 Renewable Energy 등에 게재됐으며, ‘산업공정용 태양열 히트펌프 시스템’, ‘태양열 히트펌프 융합 시스템 및 설계 플랫폼을 이용한 설계 방법’ 등 관련 특허도 출원했다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)